CN111555015A - 一种双偏振相控阵天线及双偏振相控阵天气雷达 - Google Patents

一种双偏振相控阵天线及双偏振相控阵天气雷达 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双偏振相控阵天线和双偏振相控阵天气雷达。其中，双偏振相控阵天线，将多个双极化行馈布设在横圆柱形支撑面上，形成横圆柱形的双极化(偏振)微带贴片天线，进而实现水平方向和垂直方向的两个极化(偏振)信号的同时发射和同时接受，并且能够保证波束宽度不变、天线增益不变、双偏振性能不变的数字多波束信号。本发明提供的双偏振相控阵天气雷达采用上述形成的横圆柱形的双极化(偏振)微带贴片天线，能够保证不同扫描角度探测天气的一致性，提高天气目标三维立体构建的精确度。同时，能够简化现有相控阵天气雷达对标校的要求，提高双偏振相控阵天气雷达的适应性。

Description

一种双偏振相控阵天线及双偏振相控阵天气雷达
技术领域
本发明涉及天气检测装置领域，特别是涉及一种双偏振相控阵天线及双偏振相控阵天气雷达。
背景技术
自雷达技术出现以来，将雷达用于气象探测的研究一直在不断发展中。天气雷达是探测预警各类危险性天气的最有效手段。世界上有多个国家建有气象雷达网，我国也建有新一代天气雷达网。目前业务使用的天气雷达普遍采用机械扫描，完成一次体积扫描需要6分钟左右的时间，难以满足对一些变化快速的天气现象的探测，相控阵天气雷达采用电扫描的方式，扫描速度不受机械转动性能的限制，并能多波束同时工作，因此采用相控阵天气雷达实现快速探测成为下一代天气雷达发展的主流。
采用双偏振探测技术能够得到气象目标更多的参数，能更好地识别气象目标，提供更精确的气象信息，因此采用双偏振探测已经成为气象雷达领域的共识。将相控阵天气雷达与双偏振技术结合，成为可快速扫描的双偏振相控阵天气雷达，克服现行天气雷达的不足，实现多功能探测。
相控阵天线阵列配置一般有一维线阵、二维平面阵和球面阵。
一维线阵一般是在方位或者俯仰上进行电扫，在另一维上采用机械旋转，以完成全空域的气象探测。二维平面阵天线需要多个面阵(通常是三个或者四个面)，成本较高。一维线阵和二维平面阵都存在波束指向偏离法线时，波束的各项参数非线性变化的特点。随着波束扫描角变化，一维线阵或二维平面阵的波束宽度在变化，天线增益在变化，雷达照射体积也在变化，波束的偏振方向也随之变化扭曲，并且此变化为非线性变化。球面阵在相控阵雷达中是最佳的，波束可灵活控制，在所有波束方向上都一致，但其制造成本也是最高。为解决平面相控阵波束扫描时各项参数的非线性变化，美国专利“Cylindricalpolarimetric phased arrayradar”(专利号US 2011/0285582A1)提出垂直圆柱形相控阵天气雷达，保证雷达在方位扫描时波束的各项指标稳定不变，但此方法在俯仰扫描时仍然存在波束的非线性变化，并且俯仰扫描角度有限，无法扫描到天顶方向
发明内容
本发明的目的是提供一种双偏振相控阵天线及双偏振相控阵天气雷达，以实现波束性能的无变化扫描，有效提升天气探测和目标识别的准确度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种双偏振相控阵天线，包括：横圆柱形支撑面、支撑架和多个双极化行馈；
所述支撑架与所述横圆柱形支撑面匹配设置；所述支撑架用于支撑所述横圆柱形支撑面；
多个所述双极化行馈布设在所述横圆柱形支撑面上，且多个所述双极化行馈沿所述横圆柱形支撑面的周向方向紧密排列。
优选的，还包括：数字收发模块；
所述数字收发模块包括多个双通道数字T/R组件；
每一所述双极化行馈对应一个所述双通道数字T/R组件；所述双通道数字T/R组件用于收发信号。
优选的，所述双通道数字T/R组件包括数字接收单元和数字发射单元；
所述数字发射单元用于产生探测目标所需的调频信号或相位编码信号；所述数字接收单元用于接收目标反射回来的回波信号。
优选的，所述数字发射单元为全固态发射机。
优选的，每一所述双极化行馈包括多个行馈内子阵；每一所述行馈内子阵包括电子开关和多个天线辐射单元；
所述电子开关与所述天线辐射单元连接；所述电子开关用于开启和关闭所述天线辐射单元。
优选的，还包括：驱动模块；
所述驱动模块与所述支撑架连接，以用于驱动所述支撑架进行水平转动。
优选的，所述驱动模块包括：驱动电机、角度编码器和电机控制单元；
所述角度编码器和所述驱动电机均与所述电机控制单元连接；
所述电机控制单元用于根据所述角度编码器中的角度信息控制所述驱动电机带动所述支撑架旋转到指定角度。
一种双偏振相控阵天气雷达，包括：信息处理模块和上述双偏振相控阵天线；
所述信息处理模块与所述双偏振相控阵天线连接；所述信息处理模块用于根据所述双偏振相控阵天线接受到的信号完成频谱分析，得到目标回波信息；所述信息处理模块还用于生成控制指令，以驱动所述双偏振相控阵天线进行水平方向上的信号采集和/或俯仰方向上的信号采集。
优选的，所述信息处理模块与所述双偏振相控阵天线中的电子开关连接；所述信息处理模块用于控制所述电子开关的开闭，所述双偏振相控阵天线依据开启所述电子开关的区域，以形成俯仰方向上不同角度的电子扫描。
优选的，所述信息处理模块包括：多通道DBF模块、信号处理模块和通讯模块；
所述多通道DBF模块与所述信号处理模块连接；所述信号处理模块与所述通讯模块连接；
所述多通道DBF模块用于将所述双偏振相控阵天线接收到的回波信号转换为波束信号；所述信号处理模块用于对所述波束信号进行频谱分析后得到目标回波信息；所述通讯模块用于发送所述目标回波信息。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的双偏振相控阵天线，将多个双极化行馈布设在横圆柱形支撑面上，形成横圆柱形的双极化(偏振)微带贴片天线，进而实现水平方向和垂直方向的两个极化(偏振)信号的同时发射和同时接受，并且能够保证波束宽度不变、天线增益不变、双偏振性能不变的数字多波束信号。
本发明提供的双偏振相控阵天气雷达采用上述形成的横圆柱形的双极化(偏振)微带贴片天线，能够保证不同扫描角度探测天气的一致性，提高天气目标三维立体构建的精确度。同时，能够简化现有相控阵天气雷达对标校的要求，提高双偏振相控阵天气雷达的适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的双偏振相控阵天线的结构示意图；
图2为本发明提供的双偏振相控阵天气雷达的结构示意图；
图3为本发明提供的包含有双偏振相控阵天线的双偏振相控阵天气雷达的外形结构图；
图4为本发明提供的雷达波束传输的示意图；
图5为本发明实施例中双极化行馈的水平行馈方位波束的方向图；
图6为本发明实施例中俯仰发射波束的方向图；
图7为本发明实施例中俯仰接收波束的方向图。
符号说明：
1-横圆柱形支撑面，2-支撑架，3-双极化行馈，4-数字收发模块，5-信息处理模块，6-箱体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种双偏振相控阵天线及双偏振相控阵天气雷达，以实现波束性能的无变化扫描，有效提升天气探测和目标识别的准确度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的双偏振相控阵天线的结构示意图，图3为本发明提供的包含有双偏振相控阵天线的双偏振相控阵天气雷达的外形结构图。如图1和图3所示，本发明所提供的双偏振相控阵天线，包括：横圆柱形支撑面1、支撑架2和多个双极化行馈3。
所述支撑架2与所述横圆柱形支撑面1匹配设置(如图3所示)。所述支撑架2用于支撑所述横圆柱形支撑面1。
多个所述双极化行馈3布设在所述横圆柱形支撑面1上，且多个所述双极化行馈3沿所述横圆柱形支撑面1的周向方向紧密排列(如图1所示)。
作为本发明所提供实施例的进一步优化，上述双偏振相控阵天线还包括数字收发模块4。
所述数字收发模块4包括多个双通道数字T/R组件。
每一所述双极化行馈对应一个所述双通道数字T/R组件。所述双通道数字T/R组件用于收发信号。相当于，数字收发模块4通道与双极化行馈3一一对应，即：每个行馈接一路数字收发模块4，数字收发模块4实现以下功能：
1)发射时，由直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesis，简称DDS)实现发射激励信号的产生、上变频、放大，并由行馈馈电网络送至收发模块内发射通道，产生大功率发射信号。
2)接收时，双极化天线接收信号经馈电网络合成，送至数字收发模块4的接收通道，进行放大、滤波、下变频和A/D采样后，转化为数字接收信号，通过光纤送软件化信息处理模块5。
3)通过选通俯仰向数字收发组件通道方式，实现俯仰向圆弧相控阵的波束电子扫描。
4)通过软件化信息处理模块5中数字波束形成器(Digital Beam Forming，简称DBF)实现俯仰向接收多波束。
上述双通道数字T/R组件包括数字接收单元和数字发射单元。其中，数字发射单元优选为全固态发射机，但不限于此。数字接收单元为与数字发射单元相匹配的信号接收部件，本领域能够实现数字信号接收的数字接收器均可作为本发明中的数字接收单元，但本发明优选采用数字接收贴片。
上述数字发射单元用于产生探测目标所需的调频信号或相位编码信号。上述数字接收单元用于接收目标反射回来的回波信号。
在本发明中，为了能够在俯仰方向上实现-2°～+182°范围内的电子扫描，在本发明所提供的实施例中，上述每一所述双极化行馈需要包括多个行馈内子阵。每一所述行馈内子阵包括电子开关和多个天线辐射单元。相邻天线辐射单元之间可以按照矩形进行排列，也可以按照三角形进行排列。
所述电子开关与所述天线辐射单元连接。所述电子开关用于开启和关闭所述天线辐射单元，以通过开启不同天线辐射单元的手段，在俯仰(垂直)方向上形成不同角度的电扫描范围。
而在水平方向上，本发明则采用的是机械扫描。为了在水平方向上实现360°的旋转扫描。本发明所提供的双偏振相控阵天线需要进一步包括有驱动模块。
所述驱动模块与所述支撑架2连接，以用于驱动所述支撑架2进行水平360°范围内的转动。
其中，驱动模块(图2中的伺服传动系统)包括：驱动电机、角度编码器和电机控制单元。
所述角度编码器和所述驱动电机均与所述电机控制单元连接。
所述电机控制单元用于根据所述角度编码器中的角度信息控制所述驱动电机带动所述支撑架2旋转到指定角度或位置。
本发明上述在水平方向实现360°连续扫描，俯仰方向上实现上-2°～+182°范围内电扫描的雷达波束传输路径如图4所示。
本发明提供的横圆柱形双偏振相控阵天线采用双极化(偏振)微带贴片(双极化行馈3)天线，可同时实现水平、垂直两个极化(偏振)信号的同时发射和接收。双极化行馈3在方位向等间距排列，组成水平线阵，行馈的馈电网络实现泰勒幅度加权，以保证方位上天线副瓣低于-30dB或更低(如图5所示)。
双偏振工作时，水平极化与垂直极化的发射波形可以相同，也可以采用正交的编码形式，以提高双偏振工作时两个通道之间的隔离度。
作为本发明的另一实施例，本发明还提供了一种包含有上述双偏振相控阵天线的双偏振相控阵天气雷达，该双偏振相控阵天气雷达采用脉冲压缩多普勒体制。如图2所示，该双偏振相控阵天气雷达还包括：信息处理模块5。
所述信息处理模块5与所述双偏振相控阵天线连接。所述信息处理模块5用于根据所述双偏振相控阵天线接受到的信号完成频谱分析，得到目标回波信息。所述信息处理模块5还用于生成控制指令，以驱动所述双偏振相控阵天线进行水平方向上的信号采集和/或俯仰方向上的信号采集。
所述信息处理模块5与所述双偏振相控阵天线中的电子开关连接。所述信息处理模块5用于控制所述电子开关的开闭，所述双偏振相控阵天线依据开启所述电子开关的区域，以形成俯仰方向上不同角度的电子扫描。
另外，信息处理模块5还可以包括定时单元，以产生该双偏振相控阵天气雷达的全机定时信号和发送给双偏振相控阵天线中发射模块的激励信号。
其中，信息处理模块5包括：多通道DBF模块、信号处理模块和通讯模块。
所述多通道DBF模块与所述信号处理模块连接。所述信号处理模块与所述通讯模块连接。
多通道DBF模块接收双偏振相控阵天线中数字收发模块4送来的多路接收信号(多个水平行馈发出的信号)，形成单波束或多波束信号后，将单波束或多波束信号发送到信号处理模块。信号处理模块处理单波束或多波束信号，以完成频谱分析。因频谱分析属于现有技术，本发明在此不进行赘述。
作为本发明的一优选实施例，在本发明所提供的双偏振相控阵天线的支撑架2上海可以设置一个箱体6，如图3所示，上述信息处理模块5可以放置于该箱体6中，以避免收到外界因素的干扰。
支撑架2的固定依据待测位置地理条件的不同可以选用不同的固定方式，在本发明中优选采用铆钉固定的方式进行固定。
此外，本发明提供的双偏振相控阵天气雷达还包括用于为整个雷达提供电能的配电系统。该配电系统选优太阳能供电系统或市电供电系统。
下面选用一维水平行馈作为双极化行馈3，对上述提供的包含有本发明提供的双偏振相控阵天线和双偏振相控阵天气雷达的具体工作过程进行说明。
本发明的双偏振相控阵天线为横圆柱形结构，其由258个一维双极化水平线阵行馈在俯仰向按照圆柱弧面排列。每相邻112个行馈组成有效照射口径，可实现≤1°的俯仰波束扫描，整个天线的扫描范围是-2～182°。
首先，信号处理模块接收外部指令或者按照雷达的内置参数设置工作参数，根据接收的外部指令或者按照内置参数设置工作参数产生全机工作所需的定时信号，控制雷达进入工作模式。
在信号处理模块所产生的调制脉冲(激励信号)的作用下，信号发射单元发射用于雷达探测目标所需的调频信号或相位编码信号，并在信号发射单元中上行变频至雷达工作波段后，再进行功率放大，然后由双偏振相控阵天线辐射出去。发射的激励信号为电磁波形式，电磁波遇到目标后发生后向散射形成回波信号，双偏振相控阵天线中的数字接收单元接收到返回的回波信号，经过数字收发模块4的低噪声放大、滤波器、下变频到数字中频和AD采样后输送到多通道DBF模块中。在DBF模块中形成接收波束信号，再通过信号处理模块进行频谱分析得到目标回波信息。最后回波信息由通讯模块传输到指定地点(可以为远程终端)。
本发明提供的天气雷达在工作的过程中，采用脉冲压缩体制兼顾距离分辨率和作用距离，激励信号的波形为线性调频脉冲、非线性调频脉冲及相位编码脉冲方式，其带宽为5MHz，距离分辨率达到30m，脉冲宽度在0.5μs～200μs范围内可调。脉冲压缩后，在信号处理模块进行信号处理过程中可以通过进行频域加权法来减小距离副瓣。
在采用本发明提供的双偏振相控阵天线进行信号发射时，为了保证尽可能的最大辐射电磁波，不采用幅相加权降低副瓣，如图6所示。接收时，为了实现最大副瓣电平≤-30dB或更低，则需要采用幅相加权降低副瓣，如图7所示。
与现有平面相控阵天气雷达相比，本发明提供的包含有横圆柱形的双偏振相控阵天线的双偏振相控阵天气雷达，具有以下优点：
1.采用双极行馈能够提高相控阵天气雷达波束扫描性能，实现波束宽度不变、天线增益不变、双偏振性能不变的数字多波束，保证不同扫描角度探测天气的一致性，提高天气目标三维体构建的精度。
2.通过控制双极行馈的开闭区域能够实现-2°～182°的电扫能力，进一步缩短了相控阵天气雷达的全空域探测时间，提高相控阵天气雷达粒子相态识别和天气特征识别的能力。
3.采用横圆柱形的双偏振相控阵天线简化了相控阵天气雷达对标校的要求，提高了雷达可使用性和适应性，便于雷达的扩展升级以及应用范围。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种双偏振相控阵天线，其特征在于，包括：横圆柱形支撑面、支撑架和多个双极化行馈；
所述支撑架与所述横圆柱形支撑面匹配设置；所述支撑架用于支撑所述横圆柱形支撑面；
多个所述双极化行馈布设在所述横圆柱形支撑面上，且多个所述双极化行馈沿所述横圆柱形支撑面的周向方向紧密排列。
2.根据权利要求1所述的双偏振相控阵天线，其特征在于，还包括：数字收发模块；
所述数字收发模块包括多个双通道数字T/R组件；
每一所述双极化行馈对应一个所述双通道数字T/R组件；所述双通道数字T/R组件用于收发信号。
3.根据权利要求2所述的双偏振相控阵天线，其特征在于，所述双通道数字T/R组件包括数字接收单元和数字发射单元；
所述数字发射单元用于产生探测目标所需的调频信号或相位编码信号；所述数字接收单元用于接收目标反射回来的回波信号。
4.根据权利要求3所述的双偏振相控阵天线，其特征在于，所述数字发射单元为全固态发射机。
5.根据权利要求1所述的双偏振相控阵天线，其特征在于，每一所述双极化行馈包括多个行馈内子阵；每一所述行馈内子阵包括电子开关和多个天线辐射单元；
所述电子开关与所述天线辐射单元连接；所述电子开关用于开启和关闭所述天线辐射单元。
6.根据权利要求1所述的双偏振相控阵天线，其特征在于，还包括：驱动模块；
所述驱动模块与所述支撑架连接，以用于驱动所述支撑架进行水平转动。
7.根据权利要求6所述的双偏振相控阵天线，其特征在于，所述驱动模块包括：驱动电机、角度编码器和电机控制单元；
所述角度编码器和所述驱动电机均与所述电机控制单元连接；
所述电机控制单元用于根据所述角度编码器中的角度信息控制所述驱动电机带动所述支撑架旋转到指定角度。
8.一种双偏振相控阵天气雷达，其特征在于，包括：信息处理模块和如权利要求1-7任意一项所述的双偏振相控阵天线；
所述信息处理模块与所述双偏振相控阵天线连接；所述信息处理模块用于根据所述双偏振相控阵天线接受到的信号完成频谱分析，得到目标回波信息；所述信息处理模块还用于生成控制指令，以驱动所述双偏振相控阵天线进行水平方向上的信号采集和/或俯仰方向上的信号采集。
9.根据权利要求8所述的双偏振相控阵天气雷达，其特征在于，所述信息处理模块与所述双偏振相控阵天线中的电子开关连接；所述信息处理模块用于控制所述电子开关的开闭，所述双偏振相控阵天线依据开启所述电子开关的区域，以形成俯仰方向上不同角度的电子扫描。
10.根据权利要求8所述的双偏振相控阵天气雷达，其特征在于，所述信息处理模块包括：多通道DBF模块、信号处理模块和通讯模块；
所述多通道DBF模块与所述信号处理模块连接；所述信号处理模块与所述通讯模块连接；
所述多通道DBF模块用于将所述双偏振相控阵天线接收到的回波信号转换为波束信号；所述信号处理模块用于对所述波束信号进行频谱分析后得到目标回波信息；所述通讯模块用于发送所述目标回波信息。
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